小直径密封罐体纵缝焊接机结构的设计(毕业论文).doc

沈阳工学院毕业论文摘 要随着石油、锅炉、化工工业的发展，对各类容器的要求明显增多，其主体大多是由钢板卷成圆筒，埋弧焊接成筒节，再由两端的封头和许多筒节焊接而成。这类筒节在焊接过程中刚性非常差，由于自重问题至于滚轮架上就会发生严重变形，并且沿轴线各部位椭圆度也会各不相同，尤其稍遇外力就会发生严重颤动。与厚壁大直径筒节相比较，焊接时有其特殊困难，用现有的焊接设备并不能获得优良的焊接质量，本文主要设计一种专门用于小直径密封罐体内外纵缝焊接的操作机和小直径密封罐体纵缝焊接系统。在小直径密封罐体内外纵缝焊接操作机设计中，主要设计了伸缩臂减速器和回转机构，两个机构设计思路基本相同。首先通过计算得出两个机构所需电动机的功率分别为0.18KW和0.16KW后进行电动机的选择；计算得出两个机构所需传动比i分别为1917和1500及两个机构传动装置的运动和动力参数；然后通过确定设计功率Pd、选择V带型号、带轮直径D1:D2、确定中心距a和带长Ld、初拉力F0等来完成V带轮的设计；计算高、低速级蜗轮蜗杆几何尺寸；最后进行轴及轴上键强度等的校核、轴承寿命的计算等。最终完成了两个机构的设计。在小直径密封罐体纵缝焊接系统中，两个内外纵缝焊接操作机组成一个加工生产线，各专项技术配套，功能齐全而实用，各加工工序实现了一体化，是一种适用于批量生产、先进的、理想的专用焊接系统。总之，本文通过对小直径密封罐体内外纵缝焊接机构的设计，可解决并改善小直径密封罐体薄壁容器焊接出现的变形问题，从而提高生产质量，同时也能提高生产率。关键词：小直径密封罐体，纵缝焊接，操作机，变形AbstractDiscusses the small diameter and thin wall cylinder longitudinal seam welding special difficulty and production status, this paper introduces a kind of suitable for batch and production of special welding machine. As the boiler, chemical industry, petroleum industry, for all types of container requirements increasing, Its main body is usually made of steel rolled into a cylinder, automatic submerged arc welded into a cylindrical section, a plurality of cylinder heads and ends welded. This kind of cylinder in welding stage rigid range, as the roller frame by the dead weight of large deformation occurs along the axis, and each part of ellipticity varies slightly, especially in external force can cause a severe fibrillation. With thick wall cylinder section compares, welding has its special difficulties, with the existing welding equipment often cannot obtain good welding quality. So I want to design a special seal for small diameter tank outside longitudinal seam welding machine. The small diameter longitudinal seam welding research automatic welding mechanism, the research design knowledge is wider, circuit design, automatic control, electromagnetic induction, reducer, mechanical transmission, the processing technology, manipulator design, CAD drawing, etc. To develop and consolidate knowledge The small diameter longitudinal seam welding research automatic welding mechanism, the research design knowledge is wider, circuit design, automatic control, electromagnetic induction, reducer, mechanical transmission, the processing technology, manipulator design, CAD drawing, etc. To develop and consolidate knowledgeKey words： Small diameter；Longitudinal seam；Operation machine；Deformation；I目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论31.1 小直径密封罐体概况31.2 小直径密封罐体焊接方法31.2.1 埋弧焊31.2.2 二氧化碳气体保护焊61.3 小直径密封罐体焊接的研究方向71.3.1 焊接变形71.3.2焊接设备81.4 本文研究的内容意义及内容11第2章 小直径密封罐体纵缝自动焊接机构设计122.1 专用焊接操作机的总体方案确定及设计要求122.2 伸臂旋转减速器的设计132.2.1 伸臂旋转减速器的传动方案简图132.2.2 选择电动机132.2.3 确定传动比142.2.4 计算传动装置的运动和动力参数152.2.5 V带轮的设计计算162.2.6 高速级蜗轮蜗杆设计182.2.7 低速级蜗轮蜗杆设计202.2.8 轴的校核222.2.9 轴承寿命的计算242.2.10 较核轴上的键的强度252.3 回转机构的设计262.3.1 总体传动方案简图262.3.2 选择电机262.3.3 确定传动比272.3.4 计算传动装置的运动和动力参数272.3.5 V带轮的设计计算282.3.6 高速级蜗轮蜗杆设计312.3.7 低速级蜗轮蜗杆设计322.3.8 轴的校核342.3.9 轴承寿命的计算362.3.10 校核轴上的键的强度37第3章 小直径密封罐体纵缝自动焊接系统393.1罐体内外纵缝专用焊接生产线393.1.1 内纵缝焊接系统403.1.2 外纵缝焊接系统413.2 焊接操作机伸缩臂升降过程423.3滚轮架44第4章 结 论45致 谢46参考文献47第1章 绪论1.1 小直径密封罐体概况随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高，能源消耗急剧增长，石油和成品油的需求剧增。目前我国已变成石油进口大国，石油已成为国家重要的战略物资，它直接关系到我国的经济发展、社会稳定和国家安全，增加原油储备迫在眉睫，因此，我国对国家石油储备库和成品油库的建设给予了高度重视，我国2010年已建成数千万立方米的石油战略储备能力，分期进行建设，大连国家石油储备库30台10万大型立式钢制储罐是石油化工行业非常重要的储运设备，越来越多地用于原油、成品油等储运工程。焊接是储罐建造的主要工序，对储罐的施工质量具有决定性意义。储罐的类型有很多，但在各类油库的建造中，广泛应用的是中小型立式钢制圆筒形拱顶储罐和浮顶储罐，它引领着当今中小型储罐建造技术的发展。总而言之,国产小直径密封罐体制造业起步晚，发展慢，与国外一些发达国家相比存在着很大的差距,诚望同行业间多多开展技术交流，加强合作，潜心研究，共同发展，为我国小直径密封罐体的制造事业的发展提供优质的产品和优良的服务。 1.2 小直径密封罐体焊接方法小直径密封罐体焊接方法中，埋弧焊是一种极其重要的焊接方法，其固有的焊接质量稳定、焊接生产率高、无弧光及烟尘很少等优点，使其成为压力容器、箱型梁柱、海洋结构、起重机械等钢结构制作中的主要焊接方法。当然，对于薄壁筒节的焊接，二氧化碳气体保护焊也是一种非常普遍的焊接方法。二氧化碳气体保护焊具有经济适用，操作简单、生产效率高的特点。以上两种焊接方法都适用于小直径密封罐体的焊接。1.2.1 埋弧焊埋弧焊作为比较常用的焊接方法，应用范围非常广泛，其应用的范围如表1.1。表1.1 埋弧焊的应用范围应用方面应用范围板厚适用于38mm，850mm经济效果最佳。其中320mm可不开坡口，1030mm 开V形坡口，2540mm开X形坡口，40mm以上开U形坡口，大于40mm或工艺需要开双V 形或双U形坡口，40mm以上了用窄间隙工艺。小于3mm时采用细丝或细颗粒焊剂。材料种类碳钢、低合金钢、不锈刚、耐热钢、低温钢、铜及铜合金、铝及铝合金、镍基合金、钛及钛合金。产品对象容器、锅炉、船舰、桥梁、起重电站设备、大型管件和金属结构的平、横 、环焊缝以及长焊缝。1、 原理及特点当焊丝和焊件之间引燃电弧后，电弧的热量使周围的焊剂熔化形成熔渣，部分焊剂分解、蒸发成气体，气体排开熔渣形成一个气泡，电弧就在这个气泡中燃烧。连续送入的电弧的焊丝在电弧高温作用下加热熔化，与熔化的母材混合形成金属熔池。熔池上覆盖着一层熔渣，熔渣外层是未熔化的焊剂，他们一起保护着熔池，使其与周围空气隔离，并使有碍操作的电弧光辐射不能散射出来。电弧向前移动时，电弧力将熔池中的液态金属排向后方，则熔池前方的金属就暴露在电弧的强烈辐射下而熔化，形成新的熔池，而电弧后方的熔池金属则冷却凝固成焊缝，熔渣也凝固成焊渣覆盖在焊缝表面。熔渣除了对熔池和焊缝金属起机械保护作用外，焊接过程中还与熔化金属发生冶金反应，从而影响焊缝金属的化学成分。由于熔渣的凝固温度低于液态金属的结晶温度，熔渣总是比液态金属凝固迟一些。这就使混入熔池的熔渣、溶解在液态金属中的气体和冶金反应中产生的气体能够不断地逸出，使焊缝不易产生夹渣和气孔等缺陷。为熔化的焊剂不仅具有隔离空气、屏蔽电弧光的作用，也提高了电弧的热效率。2、 埋弧焊的主要优点（1）生产效率高 这是因为，一方面焊丝导电长度缩短，电流和电流密度提高，因此电弧的熔深和焊丝熔敷效率都大大提高。另一方面由于焊剂和熔渣的隔热作用，电弧上基本没有热的辐射散失，飞溅也少，虽然用于熔化焊剂的热量损耗较大，但总的热效率仍然大大增加。因此使埋弧焊的焊接速度大大提高，最高可达60150m/h,而焊条电弧焊则不过68m/h，故埋弧焊与焊条电弧焊相比有更高的生产率。 （2）焊缝质量高 埋弧焊时的电弧及熔池均处在焊剂与熔渣的保护之中，保护效果比焊条电弧焊好。焊剂的存在也使熔池金属凝固速度减缓，液态金属与熔化的焊剂之间有较多的时间进行冶金反应，减少了焊缝中产生气孔、裂纹等缺陷的可能性，焊缝化学成分稳定，表面成形美观，力学性能好。此外，焊接参数可以通过自动调节保持稳定，对焊工操作技术水平的依赖程度亦可大大降低。（3）劳动条件好 实现了焊接过程的机械化，操作方便，除了减轻手工焊操作的劳动强度外，放出的烟尘和有害气体也比较少。它没有弧光辐射这是埋弧焊的独特优点。3、埋弧焊的主要缺点（1）难以在空间位置施焊 主要是因为采用颗粒状焊剂，为保证焊剂、熔池金属和熔渣不流失，所以通常只适用于平焊和倾斜度不大的位置焊接。其他位置的埋弧焊须采用特殊措施保证焊剂能覆盖焊接区时才能进行焊接。（2）对焊件装配质量要求高 由于电弧埋在焊剂层下，操作人员不能直接观察电弧与坡口的相对位置，当焊件装配质量不好时易焊偏而影响焊接质量。因此，焊件装配必须保证接口间隙均匀、焊件平整无错边现象。（3）不适合焊接薄板和短焊缝 由于电弧的电场强度较高，焊接电流小于100A时电弧稳定性不好，故不适合焊接太薄的焊件。4、 埋弧焊的分类近年来，埋弧焊作为一种高效、优质的焊接方法有了很大的发展，已经演变出多种埋弧焊工艺方法并在工业生产中得到实际应用。埋弧焊按送丝方式、焊丝数量及形状、焊缝成形条件等分成多种类型，见表1.2。表1.2 埋弧焊工艺方法分类分 类 依 据分 类 名 称应 用 范 围按送丝方式等速送丝埋弧焊细焊丝高电流密度变速送丝埋弧焊粗焊丝低电流密度按焊丝数目或形状单丝埋弧焊常规对接、角接、筒体纵缝、环焊缝双丝埋弧焊高生产率对接、角焊缝多丝埋弧焊螺旋焊管等超高生产率对接焊带极埋弧焊耐磨、耐蚀合金堆焊按焊缝成形条件双面埋弧焊常规对接焊单面焊双面成形埋弧焊高生产率对接焊、难以双面焊的对接焊1.2.2 二氧化碳气体保护焊 二氧化碳气体保护焊在小直径密封罐体焊接中，虽然没有埋弧焊应用广泛，但由于其设备可以达到自动化，也可被选作为小直径密封罐体的焊接方法。1、 原理 CO2气体保护焊以焊丝和焊件作为两个电极产生电弧，用电弧的热量来熔化金属，以CO2气体作为保护气体，保护电弧和熔池，从而获得良好的焊接接头这种焊接方法称为二氧化碳气体保护焊。2、CO2气体保护焊的优点： 生产效率高 a、CO2气体保护焊采用的电流密度大。 b、气体保护焊焊接过程中产生的熔渣少，多层焊时，层间不必清渣。由于焊丝伸出1020，焊接可达性好，所以坡口可适当开小，减少了焊丝的用量。 c、CO2气体保护焊采用整盘焊丝，焊接过程中不必换焊丝，提高了生产效率。如电焊条的生产效率就低。 对油锈不敏感 因为CO2在焊接过程中，CO2气体分解，氧化性强，对工件上的油、锈不敏感，只要工件上没有明显的黄锈，不必清理。当焊接气孔多时，我们有时到气站增加CO2含量。 焊接变形小 CO2气体保护焊电流密度高，电弧集中、CO2气体对工件有冷却作用，受热面小，焊后变形小。特别适用于薄板的焊接。 采用明弧 CO2气体保护焊电弧可见性好，容易对准焊缝、观察并控制熔池。 操作方便 CO2气体保护焊采用自动送丝，不必如焊条一样用手工送丝，焊接平稳。 成本低3、CO2气体保护焊的缺点 飞溅大 CO2气体保护焊焊后清理麻烦，在规范合理的情况下，产生的飞溅不是太多。因此焊前调节合理的焊接规范是非常重要的。合理的焊接规范的评定： a、飞溅少 b、电弧的声音均匀、悦耳 c、送丝均匀、平稳 d、焊缝均匀、纹路清晰 弧光强 焊接时要多加防护 抗风力弱 由于气体抗风能力不强，焊接时需采取必要的防风措施 不灵活 由于焊枪和送丝软管较重，在小范围内操作不灵活，特别是水冷焊枪1.3 小直径密封罐体焊接的研究方向目前国内外的研究人员对小直径密封罐体焊接进行了非常多的研究，尤其是法国、德国、美国和日本在此方面作了很多的工作，一般来讲，从大量的实践中我们可以得出结论，密封罐体的焊接主要难点在于变形量过大，钢结构离不开焊接，焊接时产生一定量的焊接变形是不可避免的，焊接变形的矫正与控制尤为重要，其焊接的质量和生产效率直接影响到钢结构的建造周期和使用寿命。1.3.1 焊接变形电弧焊是一个不均匀的快速加热和冷却的过程，焊接过程中及焊后，焊接构件都将产生变形。影响焊接变形最根本的因素是焊接过程中的热变形和焊接构件的刚性条件。在焊接过程中的热变形受到了构件刚性条件的约束，出现了压缩塑性变形，这就产生了焊接残余变形。影响焊接热变形的因素：（1）焊接工艺方法。不同的焊接方法，将产生不同的温度场，形成的热变形也不相同。一般来说，自动焊比手工焊加热集中，受热区窄，变形较小。CO2气体保护焊焊丝细，电流密度大，加热集中，变形小。 （2）焊接参数。即焊接电流，电弧电压和焊接速度.线能量愈大，焊接变形愈大。焊接变形随焊接电流和电弧电压的增大而增大，随焊接速度增大而减小。在3个参数中，电弧电压的作用明显，因此低电压高速大电流密度的自动焊变形较小。（3）焊缝数量和断面大小。焊缝数量愈多，断面尺寸愈大，焊接变形愈大。（4）施工方法。连续焊，断续焊的温度场不同，产生的热变形也不同。通常连续焊变形较大，断续焊变形最小。（5）材料的热物理性能。不同的材料，导热系数，比热和膨胀系数等均不相同，产生的热变形也不相同，焊接变形也不相同。 1.3.2焊接设备1、焊接操作机的概念焊接操作机是能将焊接机头也就是焊枪准确送到待焊位置，并保持在该位置或以选定焊速沿设计轨迹移动的焊接机头的变位机械。2、焊接操作机的结构、分类、及应用焊接操作机的结构形式很多，使用范围广，长与焊件变位机械相配合，完成各种焊接作业。若更换作业机头，还能进行其他的相应作业。（1）焊接操作机应用：焊接操作机是与焊接滚轮架、焊接变位机等组合，对构件的内外环缝、角焊缝、内外纵缝进行自动焊接的专用设备，有固定式、回转式、全位置等多种结构形式。可根据用户的需求选择结构并配套各种焊机以及增加跟踪、摆动、监控、焊剂回收输送等辅助功能。焊接操作机组成原理：主要由操作装置、控制装置、动力源装置、工艺保障装置组成。a、操作装置包括导轨、倾角调节机构、垂直导向机构、焊枪夹和焊枪，倾角调节机构可使焊枪能绕中心进行正负旋转。b、控制装置由电气控制系统组成，可以控制焊接操作机的工作状态。c、动力源装置由气缸组成，采用气压驱动进行动力传送。d、工艺保障装置由导丝机构、焊丝导管和导丝嘴组成，能实现焊丝的自动导向定位，可保证焊缝质量。焊接操作机一般由立柱、横梁、回转机构、台车等部件组成。各部件为积木式结构，一般立柱、横梁为其基本部件，其余部件可据用户使用要求选配。立柱及横梁采用折弯焊接结构件，具有很好的刚性。轻、中型、重型焊接操作机均采用三角型导轨，超重型采用平面方形导轨，均经磨削、 高频淬火。保证了导轨的高精度及其耐磨性。 应用于压力容器中锅炉汽包，石化容器等圆筒形工件的内外缝的纵缝焊和环缝焊焊接。（2）按其结构形式及应用特点可分为三种： a、平台式焊接操作机 平台式焊接操作机又分为单轨台车式和双轨台车式两种平台式焊接操作机又分为单轨台车式和双轨台车式两种。单轨台车式焊接操作机实际上还有一条轨道，不过该轨道一般设置在车间的立柱上，车间桥式起重机移动往往引起平台振动，从而影响焊接过程的正常进行。平台式焊接操作机的机动性、使用范围和用途均不如伸缩臂式焊接操作机，在国内的应用已逐年减少，如图1.1。图1.1 平台式操作机 b、伸臂式焊接操作机 这类焊接操作机根据横臂的结构不同又分为：悬臂式焊接操作机和伸臂式焊接变位机，如图1.2。图1.2 伸缩臂式焊接变位操作机 c、门式焊接操作机，如图1.3。图1.3 门式焊接操作机3、 焊接操作机的组成结构焊接变位机械是改变焊接机头空间位置进行焊接作业的机械设备。a、伸缩臂式焊接变位操作机伸臂旋转减速器、伸臂式焊接变位机回转机构、伸缩臂升降机构、伸缩臂等组成。其中伸缩臂固定装在伸缩臂升降滑座上，可连同滑座一体沿立柱升降或绕立柱轴线转动；立柱可以直接安装在底座上。b、传动形式与驱动机构，伸缩臂与平台的升降。操作机的平台升降多为恒速或快、慢两档速度。操作机升降系统若恒速升降，多采用交流电动机驱动，若变速升降，多采用交流电动机驱动。近年来在国外一些公司生产的操作机上，也有采用交流变频驱动和直、交流伺服电动机驱动的。在升降的两个极限位置，应设置有两类型：一种是偏心圆或凸轮式的；一种是楔块式的。另外，为了降低升降系统的驱动功率，并使升降运动的运行更加平稳，选择链传动，电动机驱动链轮，通过链条使伸缩臂升降，采用双链条。制造成本低，运行稳定可靠，但传动精度不如螺旋或者齿条传动。1.4 本文研究的内容意义及内容1、 本文研究意义 小直径密封罐体的焊接主要难点在于焊接变形量过大，由于小直径罐体的最小直径可以达到0.3m，且这类筒节在焊接阶段刚性极差,与厚壁大直径筒节比较有其特殊困难，焊接变形更严重,用现有的焊接设备往往不能获得优良的焊接质量。本文对小直径密封罐体纵缝焊接机构进行设计，使其有效改善小直径密封罐体焊接的变形问题，从而提高焊接质量和生产率。2、本文研究内容 小直径密封罐体自动焊接机构：(1) 伸臂式焊接变位机的机构设计。（2） 伸臂式焊接变位机的翻转机构的设计。其中包括，减速机构的设计和参数的选择、电动机型号的选择。 （3）伸臂式焊接变位机回转机构的设计。其中包括，减速机构的设计和参数的选择。 焊接系统：小直径密封罐体自动焊接系统的整个流程，其中包括两个操作机组成一个加工生产线，生产线生产过程设备应全套（下料 成形 装配 焊接 质量检测均实现了机械化加工）；加工中心一体化；并且该生产线结构能够伸进更小直径的罐体中进行焊接。第2章 小直径密封罐体纵缝自动焊接机构设计2.1 专用焊接操作机的总体方案确定及设计要求1、总体方案的确定 伸臂式焊接变位机主要由以下几部分组成：底座、电动机、皮带传动机构、伸臂旋转减速器、旋转伸臂、工作台、工作台回转机构。其中底座、旋转伸臂、工作台采用焊件。而电动机是外购件。所以主要研究皮带传动机构、伸臂旋转减速器、工作台回转机构。 其中皮带传动机构主要由皮带和两个皮带轮组成，在设计过程中采用皮带传动机构主要是为了实现过载保护。伸臂旋转减速器初步计划采用两级蜗轮蜗杆传动来实现减速。因为两级蜗轮蜗杆传动有传动比大，结构紧凑的特点。工作台回转机构内部包含电动机和减速机构，电动机与减速机构通过皮带传动来实现过载保护。减速机构同样采用两级蜗轮蜗杆传动来实现减速。在工作台回转机构中安有测速发电机和导电装置，前者可以进行速度反馈，使工作台能以稳定的焊速回转，以便获得优良的焊缝成形。后者可防止焊接电流通过轴承、齿轮等传动零件时起弧，产生“咬伤”零件的现象。 在设计过程中，主要内容是确定各带轮的参数和蜗轮蜗杆的各项参数以及电动机的选择。2、设计要求 焊接变位机是将被焊接工件回转、倾斜，以便使工件上的焊缝置于水平和船型位置的机械装置，该焊接变位机工作台以稳定的焊接速度回转时，工作台回转轴线可以倾斜旋转，以获得优良的空间焊缝成形，该装置具有以下几项要求：(1)允许工件尺寸 300-1500mm(2)工作台面最大高度 1297mm(3)工作台回转速度 0.05-1r/min(4)伸臂旋转速度 0.72 r/min(5)工作台最大回转力矩 750N.m(6)伸臂最大旋转力矩 1100N.m(7)伸臂旋转锥角 452.2 伸臂旋转减速器的设计2.2.1 伸臂旋转减速器的传动方案简图 伸臂旋转减速器的传动方案简图如图2.2所示。图2.2 伸臂旋转减速器的传动方案简图2.2.2 选择电动机 在电动机的选择过程中，主要考虑电动机的容量（额定功率）。电动机的容量（额定功率）选的合适与否，对电动机的工作和经济性都有影响。容量小于工作要求，则不能保证机器正常工作，或使电动机长期过载、发热而过早损坏。容量过大则电动机价格高，能力有不能充分利用。由于经常不在满载下运行，效率和功率因数都很低，造成很大浪费。电动机的容量主要根据运行是发热条件决定，额定功率是连续运转下电动机发热不超过许用温度的最大功率。满载转速是指负荷相当于额定功率时的电机转速。同一类型的电动机按照额定功率和转速的不同，具有一系列型号。对于长期连续运行的机械，要求所选电动机的额定功率应该大于等于电动机所需要的功率，即。电动机所需的输出功率为： （2.1）其中：为工作机要求的输入功率，KW； 为有电动机至工作机的总效率。 根据要求伸臂旋转速度为；伸臂最大回转力矩为。由公式(2.2)得：由电动机至工作机的总效率按照下式计算： (2.3) 其中：带传动的效率； 轴承的效率； 第一级蜗轮蜗杆传动的效率； 第二级蜗轮蜗杆传动的效率。所以：所以：查机械设计手册第五卷选得电动机，其额定功率，额定转速1500r/min，满载转速1380r/min。2.2.3 确定传动比 根据电动机满载转速和工作机转速即可确定传动装置的总传动比： 接下来我们面临的问题就是如何合理的分配各级传动比。合理分配传动比，是传动装置设计中的一个重要问题，它将直接影响到传动装置的外廓尺寸、重量、润滑以及减速器的中心距等很多方面。分配传动比主要考虑以下几点：各级传动的传动比最好在推荐范围内选取，不应超过其允许的最大值。 应充分发挥各级传动比的承载能力，注意使各级传动件尺寸协调、结构均匀合理，避免各零件的干涉及安装不便。应考虑带传动的传动比大小对总体结构的影响，如果传动比过大则大带轮直径过大与减速器总体尺寸相比不均匀，甚至与机座相干涉。应使传动装置的外廓尺寸尽可能紧凑。传动比分配还要考虑载荷性质。综合考虑以上各因素，选带传动的传动比。 对于两级蜗杆减速器，为了使结构紧凑，应使，这时可取。所以取第一级蜗轮蜗杆的传动比为20.5，第二级蜗轮蜗杆的传动比为48。传动装置的实际传动比由于受到各种因素的影响，因而与要求的传动比常有一定的误差，一般情况下，所选用的传动比应使工作机的实际转速与要求的转速的相对误差在范围内即可。设带传动的传动比为，第一级（高速级）蜗轮蜗杆的传动比为，第二级（低速级）蜗轮蜗杆的传动比为。则工作机的实际转速而：所以此传动比选择合适。2.2.4 计算传动装置的运动和动力参数 传动装置的运动和动力参数，主要是指各轴的转速、输入功率和输入转矩。它们是进行传动设计的重要依据。 （1）传动系统中各轴转速n（r/min）： （2）各轴输入功率P（kW）： ； （3）各轴转矩T（N）： 2.2.5 V带轮的设计计算（1） 确定设计功率: 查工具书可知,则。（2） 选择V带型号： 对结构尺寸无严格要求，可选普通V带。根据和，查工具书选择Z型V带。（3） 选择带轮直径： 由工具书查得Z型V带最小直径，应使，考虑小带轮转速不是很高，结构尺寸又没有特别限制，取。 验算带速，所以：，符合工具书推荐的基准直径，故：带轮选择合适。（4） 确定中心距和带长：设计条件中没有限制中心距，故可初选中心距。由式得。 初选370mm，则带长： 初选370mm，则带长： 查工具书圆整 于是中心距a， A的调整范围：（5） 验算小带轮包角： 所以中心距选择合适。（6） 确定V带根数z： 查工具书得： （2.4） 查工具书得：0.3kW，, 查工具书得：0.173410，1.1373，则0.03kW。 查工具书得：0.96， 1.11， 带入计算公式（2.4）得：， 选z2， 符合推荐轮槽数。（7） 确定初拉力： 查工具书得： （2.5） 查工具书得：q0.06kg/m, 带入公式（2.5）得：（8） 作用于轴上的压力Q： 查工具书得：。（9） 带轮结构设计根据选择V带的类型（Z型）查工具书的得以下参数，见表2.1：表2.1 V带类型参数表 项目符号参数值基准宽度（节宽）8.5基准线上槽深2.0基准线下槽深7.0槽间距第一槽对称面至端面的距离最小轮缘厚5.5带轮宽外径轮槽角以大带轮为例设计如2.2图：图2.2 大带轮设计图2.2.6 高速级蜗轮蜗杆设计（1） 材料选择：由于是伸臂旋转减速机构较为重要，选蜗杆材料20Cr.表面淬火，硬度4550HRC；选蜗轮材料ZCuSn10Pb1，金属模铸造。（2） 确定许用应力： 应力循环次数：， 查工具书得，则 （3） 选择齿数 ： 根据传动比参考工具书，则。 取，实际传动比（4） 按齿面接触疲劳强度设计： 查工具书得： 查工具书得：载荷系数 查工具书得：。 由于 较低，估计取, 由于载荷平稳，通过跑合可以改善偏载程度，所以取， 所以载荷系数, 而，查得 ，则按照接触强度要求: 查工具书可选出m3mm，37mm，q12.3，。 则 中心距。（5） 验算处设参数： 原估计，选,合适。（6） 验算齿根弯曲疲劳强度： 查工具书得： （2.6） 蜗轮当量齿数，于是查得齿形系数2.38， 而，带入计算式可得 满足弯曲疲劳强度的要求，所以传动件选择合适。（7）蜗轮蜗杆几何尺寸的计算 蜗杆齿顶圆直径：， 蜗杆齿根圆直径：， 蜗杆齿宽： ， 蜗轮吼圆直径： ， 蜗轮齿根圆直径：， 蜗轮齿宽： ， 蜗轮咽喉母圆半径：，2.2.7 低速级蜗轮蜗杆设计（1） 材料选择：由于是伸臂旋转减速机构较为重要，选蜗杆材料20Cr,表面淬火，硬度4550HRC；选蜗轮材料ZCuSn10Pb1，金属模铸造。（2） 确定许用应力： 应力循环次数：， 查工具书得，则 （3） 选择齿数 ： 参考工具书1，则。（4）按齿面接触疲劳强度设计： 查工具书得： （2.7） 查工具书得：载荷系数K 查工具书得：。 由于 较低，估计取 由于载荷平稳，通过跑合可以改善偏载程度，所以取 所以载荷系数K， 而，查得 ，则 按照接触强度要求： 查工具书可选出m6mm，72mm，q12，。 则 中心距。（5） 验算处设参数： 原估计，选合适。（6） 验算齿根弯曲疲劳强度： 查工具书得： （2.8） 蜗轮当量齿数，于是查得齿形系数， 而，带入公式2.8可得： 满足弯曲疲劳强度的要求，所以传动件选择合适。（7） 蜗轮蜗杆几何尺寸的计算 蜗杆齿顶圆直径： 蜗杆齿根圆直径： 蜗杆齿宽： 蜗轮吼圆直径： 蜗轮齿根圆直径： 蜗轮齿宽： ， 蜗轮咽喉母圆半径：，2.2.8 轴的校核 由上述计算可知对于伸臂旋转减速器的三根轴来说，输出轴3轴承受的扭矩最大，而1轴和2轴所承受的扭矩远远小于3轴所承受的扭矩。所以，在轴的校核过程中只需校核3轴。 设：为圆周力，为径向力，为轴向力。则查工具书得公式： （2.9） （2.10） （2.11） 其中： 代入公式得：3轴受力如图：图2.3 3轴受力图 其中：单独考虑作用：图2.4 受力图对B点取矩建立平衡方程： 解得：对A点取矩建立平衡方程： 解得：验算、：弯矩图如图：图2.5 弯矩图单独考虑作用：图2.6 弯矩作用图对B点取矩建立平衡方程： 解得：对A点取矩建立平衡方程： 解得：验算、：弯矩图如图：图2.7 弯矩图由以上各图可知：危险截面处的最大弯矩：根据第四强度理论得：（2.12）其中：为抗弯截面系数。对于空心轴，其中代入公式（2.12）得： 所以3轴安全。2.2.9 轴承寿命的计算 由于减速机构采用了蜗轮、蜗杆机构，所以轴承得能够承受一定的轴向力，选用圆锥滚子轴承。（1）求轴承内部的派生力 如图所示：图2.8 轴承内部派生力图求派生力的公式为：S=R/（2Y） （2.13）由设计手册查得: Y1=1.4，e1=0.42，Y2=1.7，e2=0.35所以 （2）求轴承的轴向载荷：因为所以说轴承1放松=518.2N，轴承2压紧=3478.2N所以动量载荷（3）计算轴承寿命：所以轴承寿命足够。2.2.10 较核轴上的键的强度 在整个减速器的传动轴中，只有3轴受的扭矩最大，所以只需要校核此轴上的键的强度就足够了，此轴的轴径为85mm，键的规格为241480，键的受力如下图2.9所示：图2.9 键的受力图首先校核键槽的剪切强度。将平键眼n-n截面分成两部分，并把n-n以下部分和轴作为一个整体来考虑如图所示，因为假设在n-n截面上的剪切力均匀分布，所以n-n截面上的剪切力为: （2.14）对轴心取矩，由平衡方程:得: 由此可见平键满足剪切强度。其次校核键的挤压强度。考虑键在n-n截面以上部分的平衡，在n-n截面上的剪力为： （2.15）投影水平方向，由平衡方程得： （2.16）因此求得：不满足挤压强度条件, 所以在此处用双键以增加强度。2.3 回转机构的设计2.3.1 总体传动方案简图 总传动方案简图如图2.10所示。图2.10 总传动方案简图2.3.2 选择电机 对于长期连续运行的机械，要求所选电动机的额定功率应该大于等于电动机所需要的功率，即。电动机所需的输出功率为与2.1所用公式相同。 根据要求工作台回转速度为，工作台最大回转力矩为。 由公式（2.2）得：。 由电动机至工作机的总效率按照（2.3）式计算所以：所以： 查机械设计手册第五卷选的电动机，其额定功率，额定转速1500r/min。2.3.3 确定传动比根据电动机满载转速和工作机转速即可确定传动装置的总传动比：接下来我们面临的问题就是如何合理的分配各级传动比。综合考虑前面介绍的五点内容选带传动的传动比。对于两级蜗杆减速器，为了使结构紧凑，应使，这时可取。所以取第一级蜗轮蜗杆的传动比为17，第二级蜗轮蜗杆的传动比为48。传动装置的实际传动比由于受到各种因素的影响，因而与要求的传动比常有一定的误差，一般情况下，所选用的传动比应使工作机的实际转速与要求的转速的相对误差在范围内即可。设带传动的传动比为，第一级蜗轮蜗杆的传动比为，第二级蜗轮蜗杆的传动比为。 则工作机的实际转速而： 所以该传动比选择合适。2.3.4 计算传动装置的运动和动力参数传动装置的运动和动力参数，主要是指各轴的转速、输入功率和输入转矩。它们是进行传动设计的重要依据。 （1）传动系统中各轴转速n（r/min）： （2）各轴输入功率P（kW）： （3）各轴转矩T（N）： ； 2.3.5 V带轮的设计计算（1）确定设计功率: 查工具书可知,则。（2）选择V带型号：对结构尺寸无严格要求，可选普通V带。根据和，查工具书选择Z型V带。（3）选择带轮直径： 由工具书查得Z型V带最小直径，应使，考虑小带轮转速不是很高，结构尺寸又没有特别限制，取。 验算带速，带轮择合适。 所以：（4）确定中心距和带长L： 设计条件中没有限制中心距，故可初选中心距。由式 得 初选160mm，则带长查工具书圆整于是中心距a+，A的调整范围：。（5） 验算小带轮包角： ，所以中心距选择合适。（6） 确定V带根数z： 查工具书得（公式2.4） 查工具书得：0.38kW，, 查工具书得：0.173410，1.1373，则：0.0314kW。 查工具书得：0.96， 1.11， 带入计算公式(2.4)得：， 选z2，又因为有测速发电机，所以选z3，符合推荐轮槽数。（7） 确定初拉力： 查工具书得：（公式2.5） 查工具书得：q0.06kg/m, 带入公式(2.5)得：（8） 作用于轴上的压力： 查工具书得：。（9）带轮结构设计 根据选择V带的类型（Z型）查工具书的以下参数,见表2.2：表2.2 V带类型参数表项目符号参数值基准宽度（节宽）8.5基准线上槽深2.0基准线下槽深7.0槽间距第一槽对称面至端面的距离最小轮缘厚5.5带轮宽外径轮槽角以小带